基于频域均衡的煤层信道频散补偿方法研究

摘要

本课题来源于国家自然科学基金项目“基于连续震源的煤层反射式槽波精细探测理论”。针对国家自然科学基金项目的需求，根据煤层的信道环境，对经煤层传播的频散槽波信号进行处理，消除频散的影响。本课题旨在研究设计适用于煤层信道下频散槽波信号的频域均衡算法，同时为了估计煤层信道参数，对压缩感知信道估计也进行了一定的研究。
　　(1)详细叙述了国内外专家对槽波频散现象的研究，并对不同方向的研究进行了总结，同时对均衡算法和信道估计技术的国内外发展历程进行了叙述；对槽波的传输特性进行研究，确定了煤层信道的压缩感知估计模型，探讨不同情况下煤层信道估计方法，阐述了使用频域均衡消除槽波频散的理论基础。
　　(2)煤层信道环境较为稳定，在其中传播的槽波信号可以进行近似的稀疏表达，通过对煤层信道特性的分析，选择基于层次贝叶斯模型的压缩感知信道估计完成煤层信道参数的估计过程，并详细推导了层次贝叶斯数学模型和煤层信道的稀疏表达模型，然后对贝叶斯模型的消息更新算法进行了研究，采用联合平均场的广义近似消息更新算法完成煤层信道参数的估计，将参数矩阵的计算方式由高维矩阵计算改进为低维矩阵计算，并且针对其中的冗余数据进行了删除，降低了算法的复杂度。使用Matlab软件仿真验证发现，改进后的算法具有较低的复杂度，并且算法的性能也得到了一定的提升。
　　(3)对块迭代判决反馈频域均衡算法进行了研究和改进，提出了基于分数阶傅里叶变换的块迭代判决反馈均衡算法。阐述了块迭代判决反馈均衡抵消槽波频散的基本原理，使用分数阶傅里叶变换改进算法，并设计最佳变换阶次选择方法，能够适应不同频率子波。最后结合压缩感知信道估计算法和频域均衡算法，使用Matlab对频域均衡系统的频散补偿能力进行了仿真分析。从仿真结果的信号波形以及频谱图上能明显看出，频域均衡系统可以将展宽的槽波信号压缩回原来的形状，展宽的频带得到了较好的压缩，具有较强的频散补偿性能。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 论文主要研究内容

2 槽波传播特性及频域均衡频散补偿基本理论

2.1.1 槽波的传播特性

2.1.2 Love 型及 Rayleigh 型槽波

2.1.3 频散的产生

2.1.4 影响槽波频散的主要因素

2.2 煤层信道的压缩感知估计数学模型

2.2.1 压缩感知理论

2.2.2 探测信号向量维度大于保护间隔向量维度时

2.2.3 探测信号向量维度小于保护间隔向量维度时

2.3 频域均衡频散补偿原理分析

2.4 本章小结

3.1 煤层信道特性分析

3.1.1 煤层信道的波导特性

3.1.2 煤层信道的滤波特性

3.1.3 煤层信道的多径效应

3.2 层次贝叶斯模型及煤层信道的稀疏表示

3.2.1 层次贝叶斯数学模型

3.2.2 煤层信道稀疏模型

3.3 低复杂度平均场消息更新的煤层信道估计

3.3.1 消息更新算法

3.3.2 优化矩阵计算的低复杂度平均场消息更新

3.3.3 低复杂度平均场消息更新的煤层信道估计

3.4 低复杂度联合消息更新的煤层信道估计

3.4.1 改进的因子图模型

3.4.2 联合消息更新算法

3.4.3 改进的低复杂度联合消息更新算法

3.4.4 改进低复杂度联合消息更新的煤层信道估计

3.4.5 改进算法仿真验证

3.5 本章小结

4 改进频域均衡算法频散补偿性能研究

4.1 传统块迭代判决反馈均衡算法频散补偿性能

4.1.1 块迭代判决反馈均衡

4.1.2 块迭代判决反馈均衡频散补偿性能仿真

4.2 改进块迭代判决反馈均衡算法频散补偿性能

4.2.1 分数阶傅里叶变换

4.2.2 变换阶次的选择

4.2.3 基于分数阶傅里叶变换的块迭代判决反馈均衡算法

4.2.4 改进块迭代判决反馈均衡算法频散补偿性能仿真

4.3 频域均衡系统频散补偿性能仿真

4.4 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间参与项目及主要成果

致谢